ФОРМИРОВАНИЕ РЕГЛАМЕНТИРОВАННОЙ СТРУКТУРЫ В СПЛАВЕ ВТ6 ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.09, кандидат наук Кандаров Ирек Вилевич

• Кандаров Ирек Вилевич
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Кандаров Ирек Вилевич

Введение

Глава 1. Анализ состояния вопроса и задачи исследования

1.1 Требования к лопаткам ГТД, определяющие эксплуатационные характеристики. Существующие технологии получения лопаток ГТД из титановых сплавов

1.2 Основные направления повышения эксплуатационных характеристик лопаток ГТД из титановых сплавов

1.3 Формирование ультрамелкозернистой структуры в сплаве Т1-6Л1-4У методами интенсивной пластической деформации

1.4 Анализ методов получения УМЗ - структуры по критериям технологичности

1.5 Постановка цели и задач исследования

Глава 2. Материалы и методы исследования

2.1 Химический состав и свойства титанового сплава ВТ6

2.2 Методы подготовки образцов

2.3 Макро- и микроисследование полуфабрикатов и деталей

2.4 Методы и оборудование для определения механических свойств в титановых сплавах

2.5 Методы и оборудование для формирования УМЗ-состояния в

исследуемых заготовках

Глава 3. Исследование влияния физико-механических условий разрабатываемых процессов на формирование структуры и свойств в полуфабрикатах из титанового сплава ВТ6 для производства лопаток ГТД

3.1 Влияние и выбор температурных и деформационно-скоростных параметров на формирование УМЗ-структуры в сплаве ВТ6

3.2 Исследование структуры и реологических свойств сплава ВТ6 при различных режимах деформации

3.3 Исследование сверхпластической деформации титанового сплава ВТ6. Определение рациональных температурных и скоростных условий

деформации

Глава 4. Моделирование технологического процесса получения заготовок лопаток из сплава ВТ6 с регламентированной структурой и повышенными механическими свойствами

4.1 Моделирование основных процессов пооперационного формообразования заготовки лопатки с помощью методов математического моделирования

4.2 Оценка влияния операции выдавливания на структуру сплава ВТ6

4.3 Исследование выдавливания в процессе физического моделирования

4.4 Исследование влияния дополнительной термомеханической обработки на

структуру и свойства УМЗ сплава ВТ6

Глава 5. Разработка комбинированной технологии, промышленное освоение и оценка эффективности разработанного технологического процесса получения лопаток ГТД с регламентированной структурой и повышенным комплексом эксплуатационных свойств

5.1 Разработка и аттестация технологии подготовки регламентированной УМЗ структуры в заготовках из титановых сплавов

5.2 Разработка технологии изотермической штамповки лопаток из сплава ВТ6 при пониженных температурах

5.3 Обоснование экономической эффективности внедрения разработанной технологии при производстве лопаток газотурбинных

двигателей

Основные выводы по работе

Список использованной литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «ФОРМИРОВАНИЕ РЕГЛАМЕНТИРОВАННОЙ СТРУКТУРЫ В СПЛАВЕ ВТ6 ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЛОПАТОК ГАЗОТУРБИННОГО ДВИГАТЕЛЯ»

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в России реализуется ряд правительственных программ по созданию и освоению серийного производства перспективных авиационных газотурбинных двигателей (ГТД). Для их успешной реализации необходимо обеспечить серийный выпуск ГТД, конкурентоспособных как на внутреннем, так и на внешнем рынке. Поэтому, создание промышленного производства деталей и изделий газотурбинной техники на основе методов, обеспечивающих повышение комплекса служебных свойств получаемого конечного продукта и сокращение энергозатрат, является чрезвычайно важной задачей.

Анализ производства и эксплуатации современных авиационных газотурбинных двигателей показал, что наиболее ответственными, но и труднообрабатываемыми деталями в них являются лопатки. Во время работы двигателя эти детали подвергаются воздействию знакопеременных и центробежных нагрузок, дополнительных напряжений от высокочастотных вибраций при наличии коррозионной среды и повышенной температуры. В этой связи, при создании ГТД новых поколений для гражданской и военной техники приходится сталкиваться с необходимостью обеспечения максимального резерва прочности каждой детали, с учетом условий эксплуатации и конструктивных особенностей. Условия работы и эксплуатационная нагруженность этих деталей заставляет предъявлять к материалам, используемым для их изготовления очень высокие требования [1]. В частности, важной комплексной задачей является улучшение свойств металлических материалов путем формирования в них заданной структуры, позволяющей существенно повысить эксплуатационные свойства деталей, а также обеспечить технологичность и экономичность процессов изготовления деталей. Решение вышеуказанных задач, в первую очередь, направлено на создание принципиально новых технологий изготовления конкурентоспособной авиационной продукции, что, в свою очередь, является

одним из приоритетных направлений развития, науки, технологий и техники в Российской Федерации [2].

Одним из перспективных путей решения данной задачи является применение материалов с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой, обладающих повышенными механическими свойствами [3].

Промышленное освоение производства ответственных деталей с использованием таких материалов сдерживается тем, что получение УМЗ структур не может быть обеспечено в условиях известных деформационных схем, а требует развития новых технологических процессов, направленных на развитие схем деформации и создание новых способов обработки, решение задач структурообразования, определения рациональных технологических режимов и, в конечном итоге, создания экономически целесообразной технологии получения объемных заготовок и изделий с однородной УМЗ-структурой. При этом открывается возможность достижения высокопрочного состояния в материале и получения изделий, в частности лопаток современных ГТД, из УМЗ-титановых сплавов [4,5].

Таким образом, исследования, направленные на разработку и адаптацию для условий серийного применения физико-механических процессов формирования регламентированной структуры, что определяет комплекс эксплуатационных характеристик в конечном изделии, является актуальными для современного авиационного двигателестроения.

Актуальность темы диссертации подтверждается также тем, что ее базовую часть составляют исследования, выполненные автором в рамках Государственного контракта № 13.G25.31.0019 по теме «Создание технологий и промышленного производства узлов и лопаток ГТД с облегченными высокопрочными конструкциями для авиационных двигателей новых поколений» в рамках реализации постановления Правительства РФ № 218 от 09.04.2010 г.

Цель данной работы состоит в установлении закономерностей

формирования регламентированной структуры для повышения прочностных

5

свойств деталей из титанового сплава ВТ6 при производстве лопаток газотурбинных авиационных двигателей.

Задачи исследования, поставленные в работе:

1. Провести анализ деформационных методов формирования УМЗ структуры, выявить влияние их режимов на структуру и прочностные свойства титанового сплава ВТ-6;

2. Исследовать влияние УМЗ структуры сплава ВТ6 на его деформируемость при пониженных температурах;

3. Установить и исследовать зависимость прочностных свойств деталей из титанового сплава ВТ-6 от параметров УМЗ структуры и температуры обработки;

4. Выявить и обосновать технологические режимы комбинированной технологии ИПД (интенсивная пластическая деформация) получения УМЗ заготовок из титанового сплава ВТ6 для изготовления деталей, работающих в условиях циклических нагрузок;

5. Предложить и апробировать технические решения, обеспечивающие повышение прочностных характеристик деталей ГТД.

Проведенные исследования позволили получить новые научные результаты:

- установлено, что ИПД в условиях всестороннего объёмного сжатия позволяет снизить температуру обработки титанового сплава ВТ6 до 600°С, повысить однородность деформации, сохранить технологическую пластичность при стабильности размеров заготовок, что приводит к формированию в сплаве однородной глобулярной УМЗ структуры с размером а-зерен 0,3-0,5 мкм. При этом, предпочтительной является исходная пластинчатая или мартенситная структура, полученная ускоренным охлаждением из Р-области;

- установлено, что формирование однородной глобулярной УМЗ

структуры в заготовках из титанового сплава ВТ6, повышает прочностные

характеристики сплава на 20% по сравнению с исходным состоянием и

6

составляют: ав=1340 МПа; а02=1200 МПа. При этом величина малоцикловой усталости составляет 760 МПа, что на 20% превышает стандартные для этого сплава значения;

- показано, что остаточная технологическая пластичность в УМЗ сплаве ВТ6 после ИПД достаточна для последующего пластического формообразования при температуре 650°С вместо 800°С и позволяет получить лопатки ГТД без разрушения с повышенными прочностными характеристиками (ав=1216 МПа; а0,2=1024 Мпа), что в результате дает снижение веса деталей не менее чем на 7%.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

- определены режимы комбинированной обработки, включающей ИПД в закрытом штампе и последующую штамповку деталей из титанового сплава ВТ-6, позволяющие получать лопатки ГТД с УМЗ структурой и прочностными характеристиками на 20% превышающими характеристики лопаток из ВТ-6, полученных по традиционной технологии. (Способ ИПД обработки титанового сплава ВТ6 защищен патентом RU №2486275);

- на основе проведенных исследований обоснована возможность эффективного формирования заданной структуры и свойств в полуфабрикатах и точных заготовках лопаток ГТД посредством комбинированной обработки с применением метода ИПД при температурах 650°С, что позволило снизить затраты на штамповую оснастку в среднем до 40 %;

- результаты анализа формирования заданной структуры разработанными методами были использованы при выполнении совместного проекта ПАО «УМПО» (г. Уфа) и ФГБОУ ВПО «УГАТУ» (г. Уфа) и освоены в условиях производства ПАО «УМПО».

Краткое содержание работы:

В первой главе приведен аналитический обзор различных источников. Проанализировано состояние вопроса с оценкой его актуальности и постановкой задач исследования.

Во второй главе приведены данные по исследуемым материалам, методикам исследований и оборудовании для испытаний и исследований.

В третьей главе исследовано влияние физико-механических условий разрабатываемых процессов на формирование структуры и свойств в заготовках из титанового сплава ВТ-6 для производства лопаток ГТД. Исходя из полученных данных оценено влияние температурных и деформационно-скоростных параметров на формирование УМЗ-структуры в сплаве ВТ-6. Исследованы структуры при различных режимах деформации. Полученные данные использованы для разработки технологии получения заготовок и изделий с УМЗ-структурой из сплава ВТ-6.

В четвертой главе выполнено математическое и физическое моделирование процессов получения заготовок лопаток из УМЗ сплава ВТ-6 с заданными параметрами структуры и повышенными механическими свойствами.

Получено подтверждение соответствия реального процесса выдавливания его математической модели. Выполнена оценка влияния дополнительной термомеханической обработки на структуру и свойства сплава ВТ-6.

В пятой главе приведены результаты разработки и освоения промышленного варианта технологии. Выполнена оценка технико-экономической эффективности разработанного техпроцесса получения лопаток ГТД с регламентированной структурой и повышенным комплексом эксплуатационных свойств.

Глава 1. Анализ состояния вопроса и задачи исследования

1.1 Требования к лопаткам ГТД, определяющие эксплуатационные характеристики. Существующие технологии получения лопаток ГТД из титановых сплавов.

В настоящее время ведутся полномасштабные разработки перспективных двигателей новых поколений для гражданской и военной авиации. Смена поколений авиационных двигателей определяет рост требований к проектированию и производству новых изделий, выполнение которых невозможно без внедрения новых конструкций и технологий. При этом особое внимание уделяется совершенствованию качества лопаток ГТД [6]. В частности, современные конструкции лопаток компрессора высокого давления (КВД) базируются на технологии изотермической штамповки с последующей механической обработкой на станках с числовым программным управлением (рисунок 1.1). В последние годы конструкция моноколес предполагает приварку лопаток к диску методом линейной сварки трением (ЛСТ) [7, 8, 9].

Рисунок 1.1 - Внешний вид заготовки лопатки КВД для ЛСТ

Наряду с этим, более жесткими становятся требования по ресурсу и надежности деталей (рисунок 1.2) [10]. В частности, при проектировании конструкции лопаток КВД ГТД «ПД-14» закладывается повышение этих показателей в 1,2 раза. В свою очередь, рост этих характеристик возможен за счет повышения механических и эксплуатационных свойств материала лопаток, в частности титановых сплавов, которые наиболее часто применяются в «холодной» части двигателя.

Рисунок 1.2 - Современные требования к эксплуатационным характеристикам используемых материалов

Не менее важным требованием к современным ГТД является повышение энергоэффективности, в том числе, за счет снижения массы деталей на 5-10 %.

Высокая конкуренция поставщиков двигателей для современных воздушных судов гражданской авиации (прямой конкурент российского двигателя «ПД-14» в проекте МС-21 - компания Pratt&Whitney, двигатель PW1000G) формирует также требования к технологиям получения основных деталей двигателя [11]. В частности, снижение издержек производства за счет уменьшения потребности в дорогостоящих штамповых материалах, переход на использование более дешевых материалов самих деталей,

например, замена титанового сплава ВТ8-1 на более дешёвый ВТ-6. Следует отметить, при переходе на использование материала ВТ-6 в первых ступенях КВД, разработчики требуют обеспечения следующих механических характеристик данного сплава (таблица 1.1).

Таблица 1.1 - Требования к основным механическим характеристикам ВТ-6, применяемого в авиадвигателестроении

Характеристика ВТ-6

Предел прочности, оВ, МПа не менее 1200

Предел прочности при повышенных 300 Л/ГГТ температурах, о100 , М11а не менее 800

Предел выносливости, а-1, МПа не менее 500

Вместе с тем известно, что лопатки «холодной» части газотурбинных авиационных двигателей (компрессора) самые массовые детали в авиадвигателестроении.

Существует много способов изготовления таких лопаток, применение которых зависит от массовости производства, геометрии и используемого материала [ 12].

Наиболее распространенный - объемная штамповка отдельных лопаток, при этом из исходной термически обработанной цилиндрической заготовки на горизонтально-ковочной машине методом электрической высадки формируют головку, после чего она проходит операцию объемной штамповки с облоем, в последствии, облой обрезается на прессе, готовая штампованная заготовка поступает на механическую обработку [13]. Указанный метод в данной работе будет взят за основу для совершенствования с целью обеспечения заданных требований.

Наряду с вышеуказанным, применяются и другие методы получения лопаток ГТД.

Например, высокоскоростная штамповка отдельных лопаток, по сравнению с объемной, позволяет сократить технологический процесс формоизменения с трех операций до одной. Применение данного метода целесообразно при крупносерийном производстве [14].

Также используется периодическая прокатка, в процессе которой из полуфабриката длиной, примерно метр, изготавливают в вальцах по несколько заготовок лопаток [13].

Следует также упомянуть блочную штамповку лопаток, которая предусматривает изготовление точных заготовок компрессора газотурбинного двигателя в блоке по 4, 6 или 8 штук с припуском по перу лопатки 0...0,01 мм под виброшлифовку и виброполировку [15].

Создание принципиально новых технологий изготовления конкурентоспособной продукции является одной из ключевых задач современного материаловедения. Возможным ее решением может являться разработка новых высокоэффективных процессов обработки давлением на основе применения объемных наноструктурных и ультрамелкозернистых (УМЗ) материалов. Как известно, перевод металлов и сплавов в УМЗ состояние позволяет резко повысить их статическую и усталостную прочность, износостойкость и при этом снизить температуру проявления сверхпластичности (СП). Последнее свидетельствует о значительном расширении (снижении) температурного интервала технологической деформируемости материалов, что может быть использовано для создания, например, технологий объемной изотермической штамповки и сверхпластической формовки при экстремально низких температурах деформирования. Потребность в развитии таких процессов определяется ожиданием значительной экономии электроэнергии, снижением затрат на штамповые материалы, меньшими потерями на окисление, улучшением экологии [3]. Особый интерес реализация таких процессов представляет для двухфазных титановых сплавов, широко применяемых при изготовлении

штамповкой и формовкой особо ответственных деталей авиационных двигателей.

1.2 Основные направления повышения эксплуатационных характеристик лопаток ГТД из титановых сплавов

В связи с повышением требований к эксплуатационным характеристикам лопаток двигателя, научным «мейнстримом» предлагается целый ряд технологических решений (рисунок 1.3 а), призванных обеспечить заданные характеристики. Рассмотрим основные, некоторые из которых уже успешно освоены в серийном производстве, в том числе авиационных двигателей [16].

а

Рисунок 1.3 лопаток ГТД; б методами

б

а - пути повышения эксплуатационных характеристик внешний вид изделий, получаемых перспективными

Методы химико-термической обработки

Лопатки компрессора, которые выбраны в качестве объекта исследований, при эксплуатации находятся в сложных условиях и

повышение их ресурса, в том числе в рамках данной работы, немаловажная задача. Лопатки подвергаются эрозии, коррозии, абразивному износу, влиянию высоких температур, пылевому загрязнению из тракта двигателя, знакопеременным нагрузкам и др.

Метод ионно-плазменного напыления (покрытия) нитрида титана на рабочие лопатки компрессоров является наиболее распространенным [17, 18]. Процесс напыления проходит в вакуумной камере. При эрозионном напылении на деталь наносится слой титана, затем - нитрид титана (соединение металла и азота), вновь титана и т.д. Многослойность придает изделию упругость, служащую от внешнего воздействия (рисунок 1.3). В серийных производствах применяются такие покрытия, как ЕР-7 (на основе нитридов титана и циркония (TiZr)N) реализованные в АО «УЗГА», покрытия + и т.д.

Еще одним из перспективных методов, также освоенных на серийном производстве лопаток компрессора является ионная имплантация (модифицирование), обеспечивающая следующие характеристики деталей: увеличение предела выносливости на 5-10%; повышение микротвердости (наклеп) на глубину до 4-х мкм; стойкость к высокотемпературной коррозии

[19].

Металлургические методы

Следует отметить, что металлургические методы нашли широкое применение при производстве деталей для горячей зоны двигателя -рабочие и сопловые лопатки турбины, детали камеры сгорания.

Газостатирование (горячее изостатическое прессование, ГИП) нашло широкое применение при производстве литых деталей из жаропрочных никелевых и титановых сплавов с равноосной структурой, в частности, рабочих и сопловых лопаток ГТД и газотурбинных установок (ГТУ), для подавления присущей этому виду литья макропористости [20].

Для изготовления литых деталей газовых турбин, длительно эксплуатируемых при температурах до 1200-1250°С, разработаны жаропрочные сплавы на основе легированного соединения MзAl [21].

По сравнению с никелевыми сплавами-аналогами эти материалы работоспособны при температурах до 1200-1250°С, с забросами температур

-5

до 1300°С, имеют пониженную плотность 7910-8105 кг/м , а также экономичный химический состав.

Эффективность использования интерметаллидных сплавов при замене никелевых аналогов выражены в следующем:

-повышение ресурса лопаток в 3-4 раза и дисков в 1,5-2 раза (двигатель ТВД-20);

-наработка лопаток >5000 ч (>10000 циклов) в составе ГТД без замечаний;

-снижение стоимости сплава на 20-25% и трудоемкости изготовления лопаток на 30%.

Также в настоящее время происходит активная замена равноосного литья на направленное и монокристаллическое из никелевых сплавов 4 поколения, легированных рением и рутением и интерметаллидных сплавов (на основе М3А1).

В данной работе в качестве метода повышения эксплуатационных свойств изделий - лопаток компрессора будут использованы деформационные методы обработки [3, 22- 24].

Деформационные методы измельчения микроструктуры материала -

полуфабриката детали, основанные на использовании интенсивной

пластической деформации, привлекают уже более 20 лет к себе внимание [23,

25,26]. В основе микроструктурных превращений, приводящих к

измельчению микроструктуры, лежит явление фрагментации [25].

Фрагментация происходит при разных видах деформации - одноосном

растяжении, сжатии, волочении, прокатке, гидроэкструзии, динамическом и

ударном нагружении, равноканальном угловом прессовании (РКУП), чистом

15

сдвиге, гидростатическом сжатии со сдвигом, трении и других способах нагружения.

а б

Рисунок 1.4 - Схемы осуществления больших пластических деформаций: а -кручение под высоким давлением; б - РКУ - прессование [3]

Наиболее широко для формирования УМЗ и даже наноструктуры используются два метода: кручение под высоким давлением [27-29] и (РКУП) [24] (рисунок 1.4). Оба метода весьма эффективны для изготовления лабораторных образцов. РКУП могут быть получены значительно более массивные заготовки с УМЗ структурой (размер формирующегося зерна около 100 нм) (рисунок 1.4 б) [3]. Метод заключается в осуществлении деформации простым сдвигом путем продавливания заготовки через два канала, пересекающихся под углом. Важным преимуществом данного метода является сохранение первоначальной формы деформируемого образца, поэтому заготовка может быть подвергнута нескольким циклам прессования. Увеличением количества проходов достигаются требуемые степени деформации; преобразование структуры, как правило, заканчиваются к 8 - 10 проходу (истинные деформации более 5-6). В качестве недостатков данного способа следует отметить ограничения по размеру (отношение диаметра к длине заготовки должно быть в диапазоне 1:5 для обеспечения ее устойчивости при прессовании), а так же трудности реализации РКУ прессования для высокопрочных и малопластичных сплавов, преодолеть которые возможно деформацией при повышенных температурах. Однако последнее ведет к повышению требований к инструменту и, соответственно,

16

удорожанию процесса. Тем не менее из сплава ВТ6 были изготовлены образцы диаметром 60 мм и длиной 300 мм с размером кристаллитов 500 нм

Существенными практическими преимуществами обладает метод всесторонней ковки («abc» деформации) [30], (рисунок 1.5 б). Всесторонняя ковка широко применяется в производстве полуфабрикатов из титановых сплавов [31]. Выгодность этого метода заключается в применении существующего прессового оборудования и несложной технологической оснастки. В работах [32, 33] приводятся результаты исследований формирования наноструктур в титане и его двухфазном сплаве ВТ6 в процессе "аЬс"-деформации, особенностей их строения и механических свойств, возможностей масштабирования такого процесса для получения УМЗ полуфабрикатов промышленного размера. Показано, что при температурах деформации ниже 400°С (для ВТ1-0) и 650°С (для ВТ6) может быть сформирована УМЗ структура с размером зерен менее 200 нм в первом материале и 400 нм во втором. По разработанному методу "аЬс"-деформации изготовлены массивные заготовки из титана ВТ1-0 (размером 120x100x40 мм) и сплава ВТ6 (диаметром 150 мм в и длиной 200 мм) с УМЗ структурой.

D

ЦСИЦШ.ЧаДЫИ1С тикнщгспж мм топни»

,îl»l в

Огдлп

■ " ш чь

Осип

Прпгяжка и j IipMft.ui«м>с.|ьш> кхолшс (имсры

Рисунок 1.5 - Схема всесторонней ковки [34, 35]

Однако, при использовании простых ковочных (плоских) бойков для

реализации деформационной схемы возникает проблемы с повторяемостью

17

№

результатов обработки. В связи с этим в серийных технологиях производства узлов и деталей ГТД метод не используется.

Необходимо отметить, что для измельчения микроструктуры двухфазных титановых сплавов применяются и другие методы [27, 30, 34, 36]. В работе [37] была использована гидроэкструзия (рисунок 1.6 а). в результате были получены прутки из титанового сплава ВТ6 длиной 300 мм и диаметром 10 мм с размером зерен 0,1 мкм. Между тем, применение гидроэкструзии требует использования больших обжатий при прессовании, поэтому данный метод является дорогостоящим и трудоемким. По-видимому, более эффективным, с точки зрения уменьшения степени деформации и снижения по этой причине усилий прессования, может быть метод сдвиг-прессование [38] (рисунок 1.6 б), заключающийся в прессовании заготовки через матрицу, которая дополнительно вращается относительно контейнера, создавая сдвиговую деформацию в заготовке. Однако, технически данный способ для прессования титановых сплавов сложен и пока реализован в лабораторных условиях. В последние годы для получения длинномерных прутков развивается так называемый конформ-процесс (рисунок 1.6 в) [36]. Его сущность заключается в предварительном наматывании подвергаемого деформации прутка на барабан, на следующей операции пруток сматывается и протаскивается через каналы устройства для РКУП. Очевидна возможность получения длинномерных прутков по диаметру близкому к проволоке, но очевидно также и то, что деформируемый материал должен быть пластичным, для того, чтобы легко наматываться на барабан.

Жидкость высокого давления

Заготовка

Контейнер

Плунжер

Матрица

для экструзии

а б в

Рисунок 1.6 - Схемы гидроэкструзии (а), прессования совмещенного со сдвигом (б) и конформ-процесса (в) [36, 37]

Несомненна возможность использования ротационной ковки [39] для получения длинномерных прутков, которая в настоящее время используется предприятиями на стадии ковки прутков, как правило, большого диаметра. В целом этот процесс подобен операции протяжки, которая используется при проведении всесторонней ковки, но скорости деформации в этом процессе повышенные, по сравнению с ковкой на гидропрессах в изотермических условиях. Необходимо проведение исследований для оценки перспектив этого процесса для производства длинномерных прутков с УМЗ структурой. Для изготовления полуфабрикатов поковок и получения лопаток компрессора данный метод является капиталоемким, так как требует сложного оборудования и инструмента.

1.3 Формирование ультрамелкозернистой структуры в сплаве Т1-6Л1-4У методами интенсивной пластической деформации

При проектировании облика перспективного двигателя, в частности, при прочностных расчетах конструкции лопаток, конструкторы закладывают комплекс механических свойств используемого материала. В свою очередь, механическое поведение металлических материалов находится в тесной взаимосвязи с их структурным состоянием. Путем изменения последнего

можно, в довольно широких пределах, управлять механическими свойствами материала. Размер зерен (или фазовых составляющих структуры) является наиболее легко изменяемым и в то же время эффективно действующим на механические свойства структурным параметром. Известно, что формирование УМЗ структуры деформационными методами в материале позволяет значительно повысить комплекс механических и эксплуатационных свойств. Для получения УМЗ структуры в титановых сплавах могут быть использованы: РКУП, всесторонняя ковка, включающая как конечную операцию протяжку, разновидность ковки-протяжки -ротационная ковка и комбинированные, т.е. сочетающие методы ИПД и прокатку.

Всесторонняя ковка. Реализация ИПД массивных заготовок из сплава Ть 6А1-4У возможна только при повышенных температурах из-за низкой деформируемости материала. Для сплава Ть6Л1-4У многошаговая изотермическая ковка проводилась с понижением температуры на каждом шаге в интервале 800-450оС [40]. Влияние различных типов исходной структуры сплава Ть6Л1-4У (мартенситная, закалка с 1010ОС), глобулярная а+Р (изотермическая ковка при 700ОС), бимодальная (изотермическая ковка при 950ОС с последующим охлаждением на воздухе) на параметры ковки и измельчение исследовано в работе [30]. После сжатия сплава с мартенситной и глобулярной структурами на 70% при 550ОС формируется однородная глобулярная субмикрокристаллическая (СМК) структура с размером зерна 0,3 мкм. В случае бимодальной структуры только пластинчатая составляющая претерпела трансформацию в СМК зерна, тогда как крупные а-зерна слегка вытянулись в направлении течения. Таким образом, процесс ковки сплава Ть 6А1-4У вдоль трех ортогональных направлений приводит к формированию СМК структуры с размером зерна 0,3 мкм. СП течение на последних стадиях деформации способствует формированию однородной СМК структуры. Формирование однородной СМК структуры легко обеспечивается, если

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кандаров Ирек Вилевич, 2017 год

Список использованной литературы

1. Производство лопаток газотурбинных двигателей. Крымов В.В., Елисеев Ю.С., Зудин К.И. Машиностроение. 2002 г., 376 стр.

2. Авиационная наука и технологии 2030. Форсайт, основные положения. Под ред. Б. С. Алешин, В. И. Бабкин, Л. М. Гохберг, А. В. Дутов, С. Ю. Желтов, Е. Н. Каблов, Е. А. Федосов, С. Л. Чернышев. М.: ЦАГИ, 2012

3. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы. Издательство: ИКЦ "Академкнига", 2007. с.400.

4. Semenova, I.P., Raab, G.I., Polyakova, V.V., Izmailova, N.F., Pavlinich, S.P., Valiev, R.Z. Ultrafme-grained Ti-6Al-4V-alloy used for production of complex-shaped articles with enhanced service properties (2012) Reviews on Advanced Materials Science 31 (2) PP. 179 - 184.

5. Микроструктура и свойства лопаток компрессора ГТД, полученных объемной штамповкой из ультрамелкозернистого сплава ВТ6 / И. П. Семенова, В. В. Полякова, Р. Р. Валиев, Г. И. Рааб, Н. Ф. Измайлова // Физика и техника высоких давлений. - 2011. - Т. 21, № 4. - С. 86-95.

6. Авиационная наука и технологии 2030. Форсайт, основные положения. Под ред. Б. С. Алешин, В. И. Бабкин, Л. М. Гохберг, А. В. Дутов, С. Ю. Желтов, Е. Н. Каблов, Е. А. Федосов, С. Л. Чернышев. М.: ЦАГИ, 2012.

7. А. Ю. Медведев, В. М. Бычков, А. С. Селиванов, С. П. Павлинич, С. Х. Даутов, А. В. Супов/ Применение линейной сварки трением для соединения сплавов ВТ6 и ВТ8-1. Вестник УГАТУ - 2012 Т. 16, № 7 (52). С. 68-71.

8. В. М. Бычков, А. Ю. Медведев, М. П. Савичев, В. В. Смирнов, А. В. Супов/ Контроль качества при изготовлении блисков с применением линейной сварки трением. Вестник УГАТУ - 2012 Т. 16, № 7 (52). С. 95-101.

9. А. Ю. Медведев, В. М. Бычков, Е. Е. Тарасенко, Н. Ф. Измайлова, А. И. Дубин/ Исследование остаточных напряжений в соединениях,

полученных линейной сваркой трением. Вестник УГАТУ - 2012 Т. 16, № 7 (52). С. 59-62.

10. Сенюшкин Н. С., Зырянов А. В., Султанов Р. Ф., Салимова И. И. Формирование требований к двигателям силовых установок летательных аппаратов // Молодой ученый. — 2014. — №16. — С. 99-101.

11. Дейнега В.Г., Тамазян М.В. Анализ современного потенциала российского авиационного двигателестроения // Двигатель. - 2009. - №1. - с. 14-16.

12. Елисеев Ю.С. Перспективные технологии производства лопаток ГТД // Двигатель. - №5. - 2001. - с. 4-8.

13. Попелюх А.И., Тюрин А.Г., Плотникова Н.В. Перспективные способы обработки материалов. // Учебное пособие. Челябинск. - 2014. 49 с.

14. Высокоскоростная штамповка. Костышев В.А. [Электронный ресурс] Мин.обр.науки. - Самара. - 2011 г. 65 стр.

15. Воробьев В.М. Групповая точная штамповка отдельных лопаток компрессора ГТД с готовыми функциональными поверхностями. // Двигатель. №4 (70). - 2011. С. 14-16.

16. Процессы механической и физико-химической обработки в производстве авиационных двигателей: Учеб. пособие / А.Г. Бойцов, А.П. Ковалев, А.С. Новиков и др. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. — 584 с.: ил.

17. Мухин В.С., Будилов В.В., Шехтман С.Р. Методология создания покрытий с повышенными эксплуатационными свойствами и технологии их нанесения на лопатки компрессора ГТД // Вестник УГАТУ (Машиностроение) - т.16 №5 (50). - Уфа. УГАТУ. - 2012 г. - с. 149-153.

18. Будилов В.В., Иванов В.Ю., Мухин В.С., Интегрированные вакуумные ионно-плазменные технологии обработки деталей газотурбинных двигателей: физические основы, моделирование, проектирование. 2-е изд. перераб. - Уфа. - 2004 г.

19. Мухин В.С., Смыслов А.М., Боровский С.М. Модифицирование поверхности деталей ГТД по условиям эксплуатации. М. - Машиностроение. - 1995г. - 235 с.

20. Гарибов Г.С. Горячее изостатическое прессование жаропрочных, высокопрочных сплавов // Технология легких сплавов. - №4. - 1999. - с. 4548.

21. Поварова К.Б., Бунтушкин В.П. и др. Особолегкие жаропрочные наноструктурированные сплавы на основе Ni3Al для авиационного двигателестроения и энергетического машиностроения // Вопросы материаловедения. - №2. - 2008. - с. 85-94.

22. Ruslan Z. Valiev, Yuri Estrin, Zenji Horita, Terence G. Langdon, Michael J. Zehetbauer, Yuntian T. Zhu. Producing bulk ultrafne-grained materials by severe plastic deformation. JOM, April 2006, p. 33-39.

23. Жеребцов С.В., Галеев Р.М., Валиахметов О.Р., Малышева С.П., Салищев Г.А., Мышляев М.М. Формирование субмикрокристаллической структуры в титановых сплавах интенсивной пластической деформацией и их механические свойства // КШП. 1999. № 7. с.17-22.

24. Valiev R.Z., Langdon T.G. Principles of equal-channel angular pressing as a processing tool for grain refinement. // Progr. Mater. Sci. 2006, vol. 51, p. 881.

25. Рыбин В.В. Большие пластические деформации разрушение металлов. -M.: Металлургия, 1986.-224с.

26. Сегал В.В. Процессы обработки металлов интенсивной пластической деформацией, Металлы, 2006, №5, с. 130-141.

27. Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Using high-pressure torsion for metal processing: Fundamentals and applications. // Progr. Mater. Sci. 2008, vol. 53, p. 893.

28. R.Z. Valiev, R.K. Islamgaliev and I.V. Alexandrov, Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation, Progress in Materials Science, Vol. 45 (2000), pp 103-18.

29. Ruslan Valiev, Nanostructuring of Metals by Severe Plastic Deformation for Advanced Properties, Nature Materials, Vol. 3, pp. 511-516 (2004).

30. S.V. Zherebtsov, G.A. Salishchev, R.M. Galeyev, O.R. Valiakhmetov, S.Yu. Mironov, S.L. Semiatin. Production of submicrocrystalline structure in large-scale Ti-6Al-4V billet by warm severe deformation processing. Scripta Materialia, 51, 2004, p.1147-1151.

31. Valiev R.Z., Islamgaliev R.K, Alexandrov I.V., Bulk nanostructured materials obtained through SPD, Progress in Material Science, 2000, Vol. 45, №2, pp. 103-189.

32. R.Z. Valiev, Nanostructuring of Metals by Severe Plastic Deformation for Advanced Properties / Nature Mater, Vol. 3 (2004) 511-516.

33. V.V. Stolyarov, Y.T.Zhu, T.C. Lowe, R.Z. Valiev, Microstructure and properties of pure Ti processed by ECAP and cold extrusion / Mater. Sci. Eng. A 303, (2001) 82-89.

34. Винтовая экструзия — процесс накопления деформации / В. Н. Варюхин, Д. В. Орлов, С. Г. Сынков, Я. Е. Бейгельзимер . — Донецк : Б.И., 2003 . — 84 с. — 966-7507-16-5.

35. Патент RU 2134308, МПК C 22 F 1/18, Способ обработки титановых сплавов / О.А. Кайбышев, Г.А. Салищев, Р.М. Галеев и др. 10.08.1999. Бюл. №22.

36. Continuous processing of ultrafine grained Al by ECAP-Conform / G.J. Raab, R.Z. Valiev, T.C. Lowe et al.// Materials Science and Engineering A. 2004. - Vol. 382. - P. 30-34.

37. S. Zherebtsov, A. Mazur, G. Salishchev, W. Lojkowski, Effect of hydrostatic extrusion at 600-700DC on the structure and properties of Ti-6A1-4V alloy. Mater. Sci Eng. A Vol. 485, (1-2), 2008, pp. 39-45.

38. A.V. Sergueeva, V.V. Stolyarov, R.Z. Valiev, A.K. Mukherjee, Enchanced superplasticity in a ^^AMV alloy processed by severe plactic

deformation / Scripta Mater. 43 (2000) 819-824.

141

39. Влияние теплой ротационной ковки на структуру и свойства титанового сплава ВТ-6 / С. В. Жеребцов, М. А. Боева, Г. А. Салищев, Е. А. Кудрявцев, А. С. Перцев, В. В. Латыш, И. В. Кандаров // Вестник УГАТУ (Машиностроение) т.16, №7 (52) 2012. с. 30-34.

40. G.A. Salishchev, R.M. Galeyev, O.R. Valiakhmetov, R.V. Safiulin, R.Y. Lutfullin, O.N. Senkov, F.H. Froes, O.A. Kaibyshev, Development of Ti-6Al-4V sheet with low temperature superplastic properties / Journal of Materials Processing Technology 116 (2001) 265-268.

41. Salishchev G.A., Zherebtsov S.V., Galeyev R.M. In: Ultrafine Grained Materials II, TMS (The Minerals, Metals and Materials Society). 2003. р. 123.

42. V.V. Stolyarov, Y.T.Zhu, I.V. Alexandrov, T.C. Lowe, R.Z. Valiev, Grain refinement and properties of pure Ti processed by warm ECAP and cold rolling / Mater. Sci. Eng. A 343, (2003) 43-50.

43. Vinogradov A.Y., Stolyarov V.V., Hashimoto S., Valiev R.Z., Cyclic behavior of ultrafine-grained titanium produced by severe plastic deformation, Mater. Sci. Eng. A318 (2001) pp. 163-173.

44. Y.G. Ko, W.S. Jung, D.H. Shin, C.S. Lee, Effects of temperature and initial microstructure on the equal channel angular pressing of Ti-6Al-4V alloy / Scripta Mater. 48 (2003) 197-202.

45. D.P. DeLo, S.L. Semiatin, Hot working of Ti-6Al-4V via equal channel angular extrusion / Metall. Mater. Trans. 30A (1999) 2473-2481.

46. S.M. Kim, J. Kim, D.H. Shin, Y.G. Ko, C.S. Lee, S.L. Semiatin, Microstructure development and segment formation during ECA pressing of Ti-6Al-4V alloy / Scripta Mater. 50 (2004) 927-930.

47. S.L. Semiatin, T.R. Bieler, The effect alpha platelet thickness on plastic flow during hot working Ti-6Al-4V with a transformed microstructure / Acta Mater. 49 (2001) 3565-3573.

48. A. Ambard, L. Guetaz, F. Louchet, D. Guichard, Role of interphases in the deformation mechanisms of an a/ß titanium alloy at 20 K / Mater. Sci. Eng. A319-321 (2001) 404-408.

49. R.S. Mishra, V.V. Stolyarov, C. Echer, R.Z. Valiev, A.K. Mukherjee, Mechanical behavior and superplasticity of a severe plastic deformation processed nanocrystalline Ti-6Al-4V alloy / Mater. Sci. Eng. A298 (2001) 44-50.

50. G.G. Yapici, I. Karaman, Z.P. Luo, H.Rack, Microstructure and mechanical properties of severely deformed powder processed Ti-6Al-4V using equal channel angular pressing / Scripta Mater. 49 (2003) 1021-1027.

51. G.G. Yapici, I. Karaman, Z.P. Luo, Microstructure and mechanical properties of severely deformed powder processed Ti-6Al-4V and Ti-6Al-4V/TiC metal matrix composite / In Proc.: Ultrafine Grained Materials III, eds Y.T. Zhu, T.G. Langdon, R.Z. Valiev, S.L. Semiatin, D.H. Shin, T.C. Lowe (2004) 433-438.

52. E.K.Y. Fu, H.C. Bellam, J.I. Qazi, H.J. Rack, V.V. Stolyarov, Reciprocating-sliding wear of ultrafine grained Ti-6Al-4V / In Proc.: Ultrafine Grained Materials III, eds Y.T. Zhu, T.G. Langdon, R.Z. Valiev, S.L. Semiatin, D.H. Shin, T.C. Lowe (2004) 547-552.

53. Кайбышев О.А. Сверхпластичность промышленных сплавов. М.: Металлургия, 1984. 264 с.

54. S.N. Patankar, J.P. Escobedo, D.P. Field, G. Salishchev, R.M. Galeyev, O.R. Valiakhmetov, F.H. (Sam) Froes, Superior superplastic behavior in fine-grained Ti-6Al-4V sheet / Journal of alloys and compounds 345 (2002) 221227.

55. Y.G. Ko, J.H. Kim, C.S. Lee, S.Y. Han, D.H. Shin, S.L. Semiatin, High temperature deformation behavior of ultra-fine grained Ti-6Al-4V alloy / In Proc.: Ultrafine Grained Materials III, eds Y.T. Zhu, T.G. Langdon, R.Z. Valiev, S.L. Semiatin, D.H. Shin, T.C. Lowe (2004) 659-664.

56. Терентьев В.Ф. Усталость металлических материалов. -М.: Наука, 2003, 254 с.

57. Vinogradov A., Kaneko Y., Kitagawa K., Hashimoto S., Stolyarov V., Valiev R. Cyclic response of ultrafine-grained copper at constant plastic strain amplitude Sripta Mater., 1997, v.36, №11, p.1345-1351.

58. L.R. Saitova, H.W. Hoppel, M. Goken, I.P. Semenova, G.I. Raab, R.Z. Valiev, Fatigue behavior of ultrafine-grained Ti-6Al-4V 'ELI' alloy for medical applications, Mater. Sci. Eng. A509, 2009, 145-147.

59. Thompson A.W. Substructure strengthening mechanisms. // Met. Trans., 1977, v.8A, №6, p.833-842.

60. Жеребцов С.В., Салищев Г.А., Галеев Р.М., Смыслов А.М., Сафин Э.В., Мышляев М.М. Влияние субмикрокристаллической структуры на усталостную прочность титанового сплава ВТ6, Перспективные материалы, №6 1999г., с.16-23.

61. M.A. Meyers, K.K. Chawa, Mechanical Behavior of Materials, Cambridge University Press, New York, 2009.

62. Y.M. Wang, E. Ma: Three strategies to achieve uniform tensile deformation in a nanostructured metal. Acta Mater. 52, (2004) 1699.

63. Kaibyshev O.A. Superplasticity of Alloys, Intermetallides and Ceramics. Berlin: Springer-Verlag, 1992. P.317.

64. Семенова И.П., Салимгареева Г.Х., Латыш В.В., Валиев Р.З. / Повышение усталостных свойств УМЗ титановых прутков, полученных ИПД // Солид Стейт Феномена, Т. 140, 2008, с. 167-172 (Статья на англ. языке).

65. Салищев Г.А., Галеев Р.М., Малышева С.П., Жеребцов С.В., Миронов С.Ю., Валиахметов О.Р., Иванисенко Э.В. Формирование субмикрокристаллической структуры в титане и титановых сплавах и их механические свойства. Металловедение и термическая обработка металлов, 2006, №2, с. 19-26.

66. Колачев Б.А., Бецофен С.Я., Бунин Л.А., Володин В.А. Физико-механические свойства легких конструкционных сплавов. М.: Металлургия,1995, 288с.

67. Г.И. Рааб, Р.З. Валиев, К вопросу создания ультрамелкозернистых объемных материалов, используя ИПД / Вестник УГАТУ, 2004, Т. 5, №2 (10), с. 9-16.

68. Г.И. Рааб, Р.З. Валиев, К вопросу об эффективности некоторых методов интенсивной пластической деформации, предназначенных для получения объемных наноструктурных материалов / Маркушев М.В. // Письма о материалах т.1 (2011) с.36-42.

69. ГОСТ 19807-91. Титан и сплавы титановые деформируемые. Марки.

70. Ильин А.А., Колачев Б.А., Полькин И.С. Титановые сплавы. Состав, структура, свойства. Справочник. М.: ВИЛС-МАТИ, 2009, 520.

71. ГОСТ 1497-84. Металлы. Методы испытаний на растяжение.

72. ГОСТ 25.502-79. Расчеты и испытания на прочность в машиностроении. Методы механических испытаний металлов. Методы испытаний на усталость.

73. ГОСТ 3248-81 Металлы. Метод испытания на ползучесть.

74. Патент RU 2356669, Устройство для обработки металлов давлением / В.М. Половников, В.В. Кандаров, В.В. Латыш, Н.А. Еникеев, И.В. Кандаров. 27.05.2009. Бюл. № 15

75. Гольдстейн М.И., Литвинов В.С., Бронфин М.Ф. Металлофизика высокопрочных сплавов. - М. Металлургия, 1986. - с.312.

76. В.М. Приходько, Л.Г. Петрова, О.В. Чудина, Металлофизические основы упрочняющих технологий. - М.: Машиностроение, 2003. - 384 с.

77. Ильин А.А. Механизм и кинетика фазовых и структурных превращений в титановых сплавах. - М.: Наука, 1994, 304с.

78. T.C. Lowe, R.Z. Valiev, The use of severe plastic deformation techniques in grain refinement / JOM, V. 56, Issue 10, 2004, P. 64-68+77.

79. R. Valiev, Nanostructuring of metals by severe plastic deformation for advanced properties / Nature Materials, V. 3, Issue 8, 2004, P. 511-516.

80. V.V. Stolyarov, R.Z. Valiev, Production of ultrafine-grained alloys by equal-channel angular pressing / Russian Metallurgy (Metally), V. 2004, Issue 2, 2004, P. 110-115.

81. R.Z. Valiev, Bulk nanostructured SPD materials with unique properties / Journal of Metastable and Nanocrystalline Materials, V. 20-21, 2004, P. 366-375.

82. Materials properties Handbook: Titanium alloys / eds. R. Boyer, W. Gerhard, E.W. Collings. ASM Materials Park 1994. - p. 1055.

83. C.C. Koch. NanoStructured Mater. 2 (1993), p. 109.

84. Патент RU 110307, Штамп для объемного изотермического деформирования / В.А. Шундалов В.А., В.Ю. Иванов, В.В. Латыш, И.Н. Михайлов, С.П. Павлинич, А.В. Шарафутдинов, В.М. Половников, И.В. Кандаров. 20.11.2011. Бюл. № 32.

85. Патент RU 2469122, Способ термомеханической обработки заготовок из двухфазных титановых сплавов / В.А. Шундалов, А.В. Шарафутдинов, В.М. Половников, В.В. Латыш, В.Ю. Иванов, С.П. Павлинич, И.В. Кандаров. 10.12.2012.

86. Патент RU 2364660, Способ получения ультромелкозернистых заготовок из титановых сплавов / В.В. Латыш, В.М. Половников, В.В. Кандаров, Александров, Д. Краллич, И.В. Кандаров. 20.08.2009. Бюл. № 23.

87. В.В. Латыш, Г.А. Салищев, С.В. Жеребцов, Н.Ф. Измайлова, В.М. Половников, И. В. Кандаров. Эффективность применения интенсивной пластической деформации в технологическом процессе изготовления поковок лопаток. Кузнечно-штамповое производство - Москва, №8'12.

88. Р.Г. Зарипова, В.А. Шундалов, А.В. Шарафутдинов, В.Д. Ситдиков, И.В. Кандаров. Влияние интенсивной пластической деформации и режимов обработки на структуру и механические свойства титанового сплава ВТ6. «Вестник УГАТУ», Том 16 № 7 (52), дек. 2012 г.

89. Результаты применения метода интенсивной пластической

деформации в технологическом процессе получения штамповок лопаток

146

компрессора ГТД. «Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы», тезисы докладов, открытая школа-конференция стран СНГ, Уфа, 8-12.10.2012 г. - с. 71.

90. Справочник / Под ред. Б. Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1990. - 688 с.

91. Male, A.T., Cocroft, M.G., 1964-65, Method for the Determination of the Coefficient of Friction of Metals Under Conditions of Bulk Plastic Deformation, J. Instit. Metals, 93, 38-46.

92. Кандаров И.В., Юняева А.Г. Обоснование экономической эффективности внедрения технологии на основе методов интенсивной пластической деформации при производстве лопаток газотурбинных двигателей. Научный журнал «Магистрант №9-10 2013 (сентябрь-октябрь 2013) - с. 28-35.

93. Кандаров И.В., Юняева А.Г. Экономический анализ рынка сбыта энергетических установок. Модернизация экономики и управления: II Международная научно-практическая конференция. 27 февраля 2014г. - с. 122-125.

94. Салищев Г.А., Галеев Р.М., Жеребцов С.В., Смыслов А.М., Сафин Э.В. Механические свойства титанового сплава ВТ6 с субмикрокристалической структурой// Металлы, 1999, №6, с. 84-87.

95. Объединенная авиастроительная компания [Электронный ресурс]. URL: http://www.uacrussia.ru/ (дата обращения 28.06.2013).

96. Настоящий авиационный журнал Взлет №1 -2/2013 январь-февраль, с. 26-46.

97. Постановление Правительства Российской Федерации «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства от 9 апреля 2010 г. №218.